/**
 * @author TTDB
 * @create 2025/9/9
 */
public class QuickSort {

    /**
     * 快速排序入口函数
     */
    public static void quickSort(int[] arr) {
        if (arr == null || arr.length <= 1) return;
        quickSort(arr, 0, arr.length - 1);
    }

    /**
     * 快速排序递归函数
     */
    private static void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
        if (low < high) {
            // 选择基准并进行分区
            int pivotIndex = partitionWithFirst(arr, low, high);
            // int pivotIndex = partitionWithLast(arr, low, high); // 使用最后一个元素作为基准
            // int pivotIndex = partitionWithMedian(arr, low, high); // 使用三数取中法

            // 递归排序左右子数组
            quickSort(arr, low, pivotIndex - 1);
            quickSort(arr, pivotIndex + 1, high);
        }
    }

    /**
     * 分区方法1：以第一个元素为基准
     * 这种方法在最坏情况下（数组已排序）性能较差
     */
    private static int partitionWithFirst(int[] arr, int low, int high) {
        int pivot = arr[low]; // 选择第一个元素作为基准
        int i = low + 1;
        int j = high;

        while (i <= j) {
            // 从左向右找第一个大于基准的元素
            while (i <= high && arr[i] <= pivot) {
                i++;
            }

            // 从右向左找第一个小于等于基准的元素
            while (j > low && arr[j] > pivot) {
                j--;
            }

            if (i < j) {
                // 交换找到的两个元素
                swap(arr, i, j);
            }
        }

        // 将基准放到正确位置
        swap(arr, low, j);
        return j;
    }

    /**
     * 分区方法2：以最后一个元素为基准（标准方法）
     */
    private static int partitionWithLast(int[] arr, int low, int high) {
        int pivot = arr[high]; // 选择最后一个元素作为基准
        int i = low - 1; // 小于基准的子数组边界

        // 遍历数组分区，将小于等于基准值的元素移到左侧
        // j: 当前遍历位置的索引
        // low: 分区起始位置
        // high: 分区结束位置（不包含）
        // pivot: 基准值
        // i: 小于等于基准值区域的边界索引
        for (int j = low; j < high; j++) {
            // 如果当前元素小于等于基准值，则将其交换到左侧区域
            if (arr[j] <= pivot) {
                i++;
                swap(arr, i, j);
            }
        }


        // 将基准放到正确位置
        swap(arr, i + 1, high);
        return i + 1;
    }

    /**
     * 分区方法3：三数取中法 - 优化基准选择，避免最坏情况
     * 取第一个、中间、最后一个元素的中位数作为基准
     */
    private static int partitionWithMedian(int[] arr, int low, int high) {
        // 找到三个元素的中位数
        int mid = low + (high - low) / 2;

        // 确保 arr[low] <= arr[mid] <= arr[high]
        if (arr[low] > arr[mid]) swap(arr, low, mid);
        if (arr[low] > arr[high]) swap(arr, low, high);
        if (arr[mid] > arr[high]) swap(arr, mid, high);

        // 将中位数放到倒数第二个位置，作为基准
        swap(arr, mid, high - 1);
        int pivot = arr[high - 1];

        int i = low;
        int j = high - 1;

        while (true) {
            // 从左向右找大于基准的元素
            while (arr[++i] < pivot);

            // 从右向左找小于基准的元素
            while (arr[--j] > pivot);

            if (i < j) {
                swap(arr, i, j);
            } else {
                break;
            }
        }

        // 将基准放回正确位置
        swap(arr, i, high - 1);
        return i;
    }

    /**
     * 交换数组中两个元素
     */
    private static void swap(int[] arr, int i, int j) {
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }

    /**
     * 打印数组
     */
    private static void printArray(int[] arr, String message) {
        System.out.print(message + ": ");
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    /**
     * 测试函数
     */
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {10, 7, 8, 9, 1, 5, 3, 6, 2, 4};
        printArray(arr, "原始数组");

        quickSort(arr);
        printArray(arr, "排序后数组");

        // 测试各种边界情况
        testEdgeCases();
    }

    /**
     * 测试边界情况
     */
    private static void testEdgeCases() {
        System.out.println("\n=== 边界情况测试 ===");

        // 空数组
        int[] empty = {};
        quickSort(empty);
        System.out.println("空数组: " + java.util.Arrays.toString(empty));

        // 单元素数组
        int[] single = {5};
        quickSort(single);
        System.out.println("单元素: " + java.util.Arrays.toString(single));

        // 已排序数组
        int[] sorted = {1, 2, 3, 4, 5};
        quickSort(sorted);
        System.out.println("已排序: " + java.util.Arrays.toString(sorted));

        // 逆序数组
        int[] reverse = {5, 4, 3, 2, 1};
        quickSort(reverse);
        System.out.println("逆序: " + java.util.Arrays.toString(reverse));

        // 重复元素
        int[] duplicates = {3, 1, 2, 3, 1, 2};
        quickSort(duplicates);
        System.out.println("重复元素: " + java.util.Arrays.toString(duplicates));
    }
}
